![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Экспериментально-расчетное исследование каталитических свойств металлов, кварца и керамики в сверхзвуковых потоках диссоциированных двухатомных газов. Аналитическое исследование теплопередачи и трения в задачах пространственного гиперзвукового обтекания затупленных тел в широком диапазоне чисел Рейнольдса. Исследование взаимодействия метеороидов с атмосферой Земли. Исследование и моделирование их движения в атмосфере Земли, их разрушения, абляции, свечения и энерговыделения вдоль траектории.
Experimental and computational study of the catalytic properties of metals, quartz and ceramics in supersonic flows of dissociated diatomic gases. Analytical study of heat transfer and skin friction in three-dimensional problems of hypersonic flow around blunted bodies in a wide range of Reynolds numbers. Study of interaction between meteoroids and the Earth's atmosphere. Study and modeling their motion, destruction, ablation luminosity and energy deposition along the trajectory.
На 2016-2018 г. Будет проведено численное моделирование обтекания и теплообмена образцов из сверхтемпературной керамики в потоке воздушной плазмы для условий экспериментов в АДТ ВАТ-104 и ВГУ-4. Данные по тепловым потокам, температуре поверхности и коэффициентам каталитической рекомбинации атомов O, N и молекул СО на высокотемпературных поверхностях углерода и керамики будут экстраполированы на условия входа в атмосферы Земли и Марса, т.е. определены скорость, высота полета и радиус носового затупления тела. В задачах трехмерного гиперзвукового обтекания затупленных тел при малых, умеренных и больших числах Рейнольдса Re получить аналитические решения для коэффициентов конвективной теплопередачи и трения и оценить их область применимости. Разработать модель дробления метеороида на облако фрагментов и паров, движущихся с единой ударной волной. Получить аналитические решения уравнений физической теории метеоров (ФТМ): 1) для недробящегося метеороида при степенной зависимости коэффициента абляции от скорости. 2) для единого и дробящегося метеороида с меняющимся вдоль траектории коэффициентом абляции в предположении, что масса метеороида убывает быстрее его скорости; сравнить полученное решение для световой кривой Челябинского болида с наблюдательными. на 2019-2023 г.: На основании экспериментальных данных по тепловым потокам в сверхзвуковых струях диссоциированного воздуха расчетным путем будут определены коэффициенты каталитической рекомбинации атомов O, N на охлаждаемых поверхностях меди, серебра, нержавеющей стали (TW = 300 K), кварца (TW = 450-600 K), а также на поверхностях углерода и керамического материала состава HfB2-SiC + графен при температурах до 3000 К. Будут существенно расширены и обобщены экспериментальные и расчетные данные по теплообмену сверхзвуковых струй диссоциированного воздуха с охлаждаемыми поверхностями металлов (Cu, Ag, Au, Be, Ta, Mo), кварца, высокотемпературной керамики на основе HfB2-SiC-графен и углерода, и ряда других высокотемпературных покрытий, для моделей различной геометрии в широкой области рабочих параметров ВЧ-плазмотронов ВГУ-4 и ВАТ-104. Разработать программу численного решения уравнений ФТМ методом Рунге-Кутты. Разработать модель разрушения космического тела в атмосфере на множество фрагментов, движущихся независимо, с учетом их неравномерного вероятностного распределения по массам. Разработать и протестировать новую модель разрушения в атмосфере метеороида на множество фрагментов, движущихся с общей ударной волной. Провести сравнение разработанных и общепринятых моделей разрушения на облако фрагментов; провести с их использованием и с использованием разработанной модели абляции моделирование взамодействия Челябинского метеороида с атмосферой; выбрать наиболее адекватную модель. Получить выражение для коэффициента радиационной теплопередачи в зависимости от скорости, радиуса затупления тела и плотности атмосферы. Оценить влияние переменности вдоль траектории коэффициента теплопередачи на характеристики взаимодействия метеороидов с атмосферой. Разработать численно-аналитический метод решения уравнений ФТМ для единого тела.
Институт механики МГУ им. М.В. Ломоносова имеет большой опыт в решении задач гиперзвукового обтекания затупленных тел в рамках уравнений Навье-Стокса и различных их приближений с учетом неравновесных химических реакций в потоке и на поверхности. Разработан и реализован в виде комплекса программ метод численного интегрирования уравнений Навье-Стокса, основанный на конечно-разностной TVD - схеме высокого порядка точности. Разработанный комплекс программ позволяет проводить расчеты гиперзвукового обтекания тел и моделировать сложные физические процессы в индукционных плазмотронах с учетом неравновесных химических реакций и релаксации внутренних степеней свободы. В ИМех МГУ численно решена задача гиперзвукового пространственного обтекания ВКС "Буран" химически реагирующим потоком воздуха в условиях движения его по планирующей траектории спуска в атмосфере Земли. Для различных режимов истечения диссоциированных газов через звуковые сопла в установке ВГУ-4 получены согласующиеся экспериментальные и расчетные данные по распределениям вдоль оси симметрии давления торможения и тепловых потоков в критической точке цилиндрических водоохлаждаемых моделей с плоской и полусферической поверхностью из меди. Для расчетов течений в канале плазмотрона использовались модели газовой среды с многоканальным энергообменом в многокомпонентной плазме воздуха и углекислого газа. Установлен закон подобия приведенных тепловых потоков в критической точке цилиндрической модели с плоским торцом, обтекаемой недорасширенными струями воздуха и азота в ВЧ-плазмотроне, и в критической точке сферы, обтекаемой гиперзвуковыми потоками воздуха и азота, при выполнении условий локального моделирования теплообмена. Разработка аналитических методов расчета конвективных тепловых потоков на затупленных телах, обтекаемых гиперзвуковым потоком газа в континуальном и переходном режимах.
Итоги за 2016-2018 г. Для условий экспериментов на ВЧ-плазмотроне ВГУ-4 в рамках уравнений Навье-Стокса и упрощенных уравнений Максвелла для высокочастотного электрического поля выполнены расчеты течений плазмы в разрядном канале ВЧ-плазмотрона ВГУ-4, сверхзвукового обтекания диссоциированным воздухом цилиндрических моделей различной геометрии. Из сопоставлений измеренных и рассчитанных тепловых потоков определены значения эффективных коэффициентов каталитической рекомбинации атомов w для охлаждаемых поверхностей металлов (Au, Ag, Cu, Be, Ta, Nb, Mo), кварца (SiO2) и керамики SiC при высоких температурах поверхности. Установлена количественная шкала каталитической активности исследованных материалов Cu ~ Ag > Nb ~Au > Ta ~ Be > Mo ~ SiO2 ~ SiC. Проведены экспериментальные исследования обтекания и измерены тепловые потоки на поверхности диска из сверх высокотемпературной керамики в аэродинамической трубе ВАТ-104 ЦАГИ в химически неравновесном высокоэнтальпийном сверхзвуковом потоке воздушной плазмы. В рамках уравнений Навье-Стокса и химически неравновесной модели газовой среды проведено численное моделирование течения в подогревателе, сверхзвуковом сопле и в рабочей части АДТ ВАТ-104, а также обтекания диска из керамики для условий экспериментов. Сравнение измеренных в экспериментах и полученных в расчетах тепловых потоков на поверхности диска позволило определить каталитическую активность исследуемых образцов сверх высокотемпературной керамики. Проведены сравнения экспериментально измеренных и рассчитанных значений температур на наветренной поверхности диска для нескольких пусков установки АДТ ВАТ-104. В задаче трехмерного гиперзвукового обтекания тел при малых числах Re получены аналитические решения для коэффициентов конвективной теплопередачи, трения и давления, зависящие от газодинамических и геометрических параметров. Оценена их область применимости. Показано, что при стремлении числа Re к нулю эти решения приближаются к свободномолекулярным решениям. При больших и умеренных числах Re получены аналитические решения для теплового потока, отнесенного к значению в точке торможения, зависящие от геометрических параметров, а также решения, зависящие от геометрии и давления на поверхности, имеющие более широкую область применимости. Показано, что найденные решения применимы для расчета относительного теплового потока на идеально каталитической поверхности тел, обтекаемых потоком химически реагирующего газа. Получены аналитические решения уравнений ФТМ для изменения массы, скорости и кинетической энергии недробящегося метеороида при степенной зависимости коэффициента абляции от скорости. В задаче входа космического тела в атмосферу разработана модель его дробления на облако фрагментов и паров, движущихся с единой ударной волной. Получены аналитические решения уравнений физической теории метеоров (ФТМ): 1) для недробящегося метеороида при степенной зависимости коэффициента абляции от скорости; 2) для единого и дробящегося метеороида с меняющимся вдоль траектории коэффициентом абляции в предположении, что масса метеороида убывает быстрее его скорости; показано, что полученное решение для световой кривой Челябинского болида согласуется с наблюдательными данными. Разработать модель распределения фрагментов разрушенного метеороида по массам и провести сравнение с имеющимися данными о массах найденных метеоритов для разных метеоритных дождей.
госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию) |
# | Сроки | Название |
1 | 11 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Создание континуально-кинетических моделей и эффективных численных алгоритмов решения задач аэродинамики и теплообмена в широком диапазоне чисел Рейнольдса |
Результаты этапа: На индукционном плазмотроне ВГУ-4 при различных расходах газа (2.4 и 3.6 г/с) и мощностях ВЧ-генератора по анодному питанию (45 и 64 кВт) проведены эксперименты по измерению давления торможения в высокоэнтальпийных недорасширенных сверхзвуковых струях азота, истекающих из звуковых сопел диаметром 30 и 40 мм при давлении в барокамере 10.4 гПа. Измерены давления торможения и тепловые потоки к водоохлаждаемым поверхностям меди, нержавеющей стали, графита МПГ-7 и кварца в критической точке цилиндрической модели с плоским торцом диаметром 20 мм, обтекаемой высокоэнтальпийными недорасширенными сверхзвуковыми струями азота, истекающими из водоохлаждаемых звуковых сопел с диаметрами выходного сечения 30 и 40 мм при давлении в барокамере 10.4 гПа в четырех режимах работы плазмотрона ВГУ-4. Экспериментально продемонстрирован эффект сильного влияния каталитической рекомбинации атомов азота на тепловой поток к охлаждаемой поверхности. Тепловой поток к высококаталитичным поверхностям меди и нержавеющей стали в четыре раза превышает тепловой поток к поверхности кварца. Установлена качественная каталитическая шкала материалов по отношению к гетерогенной рекомбинации атомов N: медь ~ нержавеющая сталь > графит > кварц. Для тех же четырех режимов ВЧ-плазмотрона ВГУ-4 численно решены задачи о течении неравновесной плазмы азота в разрядном канале и в пространстве, ограниченном стенками барокамеры и поверхностью модели. Экспериментальные и расчетные данные по тепловым потокам к высоко каталитическим холодным поверхностям и давлению в точке торможения на цилиндрической модели с плоским носком в первой сверхзвуковой зоне недорасширенной струи диссоциированного азота удовлетворительно согласуются. В задаче трехмерного гиперзвукового обтекания разреженным газом затупленных тел получено асимптотическое решение для числа Стэнтона и коэффициентов трения и давления в зависимости от параметров обтекания и формы тела. Решение представлено в инвариантном относительно выбора системы координат виде. При стремлении числа Рейнольдса к нулю решения для числа Стэнтона, коэффициентов полного трения и давления приближается к значениям в свободномолекулярном режиме обтекания при единичном коэффициенте аккомодации. Показана удовлетворительная точность аналитического решения в переходном режиме гиперзвукового обтекания, оценены границы его применимости. Разработана теоретическая кинетическая модель для определения влияния уноса оксида молибдена на концентрацию электронов и их температуру в ближнем следе за конусом при сверхзвуковом обтекании потоком разреженной плазмы. В задаче о движении и фрагментации крупных метеороидов в атмосфере Земли даны выражения для коэффициента теплопередачи и оценки областей определяющего влияния конвективных и радиационных тепловых потоков в континуальном режиме; рассмотрено энерговыделение на заключительном этапе движения метеороида с концевой вспышкой. Показано, что разрушение метеороида приводит к образованию его горячего следа, представляющего собой высокотемпературный газ, нагретый за счет потери кинетической энергии образовавшихся осколков. Рассчитана средняя температура в этом следе. В расчетах распределение осколков метеороида по массе было выбрано в соответствии с предложенной моделью двустадийного дробления. | ||
2 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Создание континуально-кинетических моделей и эффективных численных алгоритмов решения задач аэродинамики и теплообмена в широком диапазоне чисел Рейнольдса |
Результаты этапа: Проведено: - численное моделирование течений азота в канале плазмотрона ВГУ-4 в широкой области параметров эксперимента (энерговклада в плазму, расхода газа в разрядном канале, давления в барокамере); - численное моделирование обтекания моделей цилиндрической формы с торцевым затуплением в недорасширенных сверхзвуковых струях азота; - численное моделирование обтекания и теплообмена образцов в форме дисков в потоке воздушной плазмы для условий экспериментов в АДТ ВАТ-104; В задаче трехмерного гиперзвукового обтекания затупленных тел при больших и умеренных числах Рейнольдса получены аналитические выражения для теплового потока, отнесенного к его значению в точке торможения, зависящие от инвариантных геометрических параметров, а также выражения, зависящие от геометрии и давления на поверхности, имеющие более широкую область применимости. На основании сравнений с численными решениями для многокомпонентного химически неравновесного воздуха на высотах от 90 до 50 км траектории спуска космического аппарата в атмосфере Земли показано, что полученные формулы применимы для расчета относительного теплового потока на идеально каталитической поверхности тел, обтекаемых гиперзвуковым потоком химически реагирующего газа. В задаче входа в атмосферу крупных метеороидов: Получены аналитические решения уравнений физической теории метеоров в предположении, что масса метеороида убывает быстрее, чем его скорость, для уноса его массы и изменения кинетической энергии вдоль траектории. С использованием этих решений рассмотрено взаимодействие с атмосферой Челябинского метеороида, построена его световая кривая и проведено сравнение с данными наблюдений. Получены аналитические решения уравнений физической теории метеоров в предположении, что коэффициент абляции, равный отношению коэффициента теплопередачи к эффективной теплоте уноса массы, зависит только от скорости, для изменения массы, скорости и кинетической энергии метеороида до начала его разрушения. Проведены уточняющие расчеты температуры газа, нагретого частицами метеороида при его взрывоподобном разрушении с учетом абляции частиц. | ||
3 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Создание континуально-кинетических моделей и эффективных численных алгоритмов решения задач аэродинамики и теплообмена в широком диапазоне чисел Рейнольдса |
Результаты этапа: Из сравнения экспериментальных данных по тепловым потокам, полученных на установке ВГУ-4 (ИПМмехРАН) при обтекании воздухом сферически затупленной цилиндрической модели с плоским срезом и рассчитанных в рамках уравнений Навье-Стокса для условий экспериментов определены значения эффективного коэффициента рекомбинации атомарных компонентов на поверхности водоохлаждаемых датчиков из различных металлов и кварца и установлена количественная шкала каталитичности рассмотренных металлов и кварца. В рамках уравнений Навье-Стокса и химически неравновесной модели воздуха проведено численное моделирование течений в установке АДТ ВАТ-104 (ЦАГИ), а также параметрические исследования обтекания дисков из керамики. Из условия совпадения рассчитанных и экспериментально измеренных величин тепловых потоков определена константа скорости гетерогенной рекомбинации материала его поверхности. Проведенное сопоставление рассчитанных и экспериментальных значений яркостной температуры показало их хорошее совпадение. Получены простые приближенные аналитические решения уравнений физической теории метеоров при постоянном параметре абляции на начальном участке траектории метеороида. По этим решениям можно оценить высоту начала разрушения в атмосфере крупного метеороида в зависимости от его прочности и его массу на этой высоте. Разработана модель фрагментации крупного метеороида на облако фрагментов и паров, движущихся с единой ударной волной. Получена формула для определения скорости расширения раздробленного метеороида в поперечном движению направлении. Проведен анализ литературных данных по радиационным тепловым потокам к затупленным телам, движущимся со сверхорбитальными скоростями. Получено аппроксимационное выражение для коэффициента теплопередачи в некотором диапазоне параметров, характерном для движения в атмосфере крупных метеороидов, таких как Челябинский. Анализ литературных данных по классификации выпавших частиц по размерам при их разлете после разрушения метеороида позволил выбрать модель, наилучшим образом согласующуюся с наблюденными данными. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".